CN108815586B - 一种具有长效超亲水性能的生物抗污涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有长效超亲水性能的生物抗污涂层及其制备方法，制备方法包括以下步骤：对基底材料表面进行预处理；将处理后的基底材料置于偏酸性缓冲液中，然后加入多酚化合物、多胺基化合物和氧化剂进行反应；将反应所得物浸没于去离子水中，进行超声清洗，然后在氮气条件下干燥，制得。该方法操作简单、反应条件温和，制备的涂层材料中具有多酚化合物和大量的羧基、酚羟基、醌基及胺基等功能基团，且涂层表面呈现长效超亲水性能。采用本发明方法制得的改性涂层与基底材料之间具有优异的黏附性，且涂层表面的超亲水性使得材料具有优异的生物抗污功能，可用于植入器械、医疗诊断器械、医疗传感器等材料制备。

Description

一种具有长效超亲水性能的生物抗污涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于医学材料技术领域，具体涉及一种具有长效超亲水性能的生物抗污涂层及其制备方法，可用于植入器械、医疗诊断器械、医疗传感器等材料制备。
背景技术
蛋白质的非特异性吸附和微生物的附着生长是生物医疗器件领域的一个重大挑战，蛋白质容易非特异性吸附在材料表面，特别是吸附在生物医学材料表面。对植入器械，材料植入宿主以后，与生物环境接触时都是以外源性物质的状态存在，不同程度地引起生物体的不良反应(异物反应)。这些反应都与非特异性蛋白质迅速吸附在无保护的材料表面有关，而非特异性蛋白的吸附将严重影响材料的表面物理化学特性，继而引发血栓、凝血、炎症和感染进而导致植入材料的服役失效；对医疗诊断设备和传感器，蛋白的非特异性吸附会导致其灵敏度大大降低，并增长检测时间。因此，材料表面的多功能化构建及对非特异性蛋白吸附的抑制，是医学材料领域的重要研究内容。蛋白质主要是靠疏水作用吸附在材料表面。对于生物医用材料而言，材料表面亲/疏水性是影响蛋白质吸附的首要因素。同时，由于蛋白质是带有两性电荷的聚电解质，若材料表面也带有两亲性离子结构或亲水基团，通过富集水化层或空间排斥也可以削弱材料与蛋白的相互作用，抑制非特异性蛋白的吸附。而且，目前研究最为广泛的材料表面的亲/疏水性对蛋白吸附和细胞相容性的影响中，比较一致的观点认为亲水性材料比疏水性材料具有更好的生物相容性。因为疏水表面蛋白粘附得较为牢固，不易脱落，且容易导致蛋白质的构象变化；而亲水表面对蛋白的粘附强度较低，有利于蛋白原有自由构象的调整与维持。传统的制备亲水性表面方法，一般是将亲水性功能基团(如羧酸基、磺酸基、胺基、季胺基)或者是具有亲水性的物质接枝或涂覆在材料表面，而无论是以物理吸附还是以共价固定还是物理共混涂覆到材料表面，都必须依赖分子的尺寸、构象、活性以及其在材料表面发挥亲水性作用的稳定性及持久性。生物分子一旦在服役过程中失活或大量丢失，便不能有效发挥其生物学功能。因此能在涂层表面直接生成大量稳定的亲水基团且不受接枝过程影响显得尤为重要。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种具有长效超亲水性能的生物抗污涂层及其制备方法，可有效解决为了提高生物材料和细胞相容性需额外引入亲水性分子或基团，而亲水性分子或基团在服役过程中失活或大量丢失后不能发挥其功能的问题。
为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种具有长效超亲水性能的生物抗污涂层，其制备方法包括以下步骤：
(1)对基底材料表面进行预处理；
(2)将处理后的基底材料置于pH值为2-7的缓冲液中，接着加入多酚化合物、多胺基化合物和水溶性氧化剂，使得多酚化合物、多胺基化合物和水溶性氧化剂的终浓度分别为0.01-10mg/mL、0.01-10mg/mL和0.01-10mg/mL，然后在4-50℃反应0.1-48h；
(3)将步骤(2)所得物浸没于去离子水中，超声清洗3-4次，每次4-5min，然后在氮气条件下干燥，制得。
进一步地，基底材料为金属基生物材料、陶瓷基生物材料、高分子基生物材料或复合生物材料。
进一步地，缓冲液为乙酸-乙酸盐缓冲液、2-(N-吗啡啉)乙磺酸缓冲液、甘氨酸-盐酸缓冲液、邻苯二甲酸-盐酸缓冲液、邻苯二甲酸氢钾-氢氧化钠缓冲液、磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液、柠檬酸-氢氧化钠-盐酸缓冲液或柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液。
进一步地，多酚化合物为单宁酸、没食子酸、丹酚酸B、表没食子儿茶素没食子酸酯、表儿茶素没食子酸酯、表儿茶素、表没食子儿茶素、邻苯二酚、邻苯三酚、黄酮类、花色素苷、鞣花酸和原花色素A2中的一种或几种混合。
进一步地，多胺基化合物为L-精氨酸、乙二胺、戊二胺、2,2,4-三甲基六亚甲基二胺、1,8-二氨基辛烷、甲基环己烷二胺、1,3-二氨基甲基环己烷、2,4,6-三氨甲基环己烷、1,4-双二氨已基环己烷和2-(3,4-二羟基苯基)乙胺中的一种或几种混合。
进一步地，水溶性氧化剂为过氧化氢、过硫酸铵、氯化铜、三氯化铁、浓硝酸、高碘酸钠、高锰酸钾和重铬酸钾中的一种或几种混合。
进一步地，步骤(2)中多酚化合物、多胺基化合物和水溶性氧化剂的终浓度分别为1mg/mL、4mg/mL和2mg/mL。
进一步地，步骤(2)中反应温度为25℃，反应时间为2h。
本发明提供的具有长效超亲水性能的生物抗污涂层及其制备方法，具有以下有益效果：
本发明通过加入多酚化合物、多胺基化合物和水溶性氧化剂，使其相互作用制备改性涂层，在涂层表面生成多种亲水功能基团，从而使得涂层具有超亲水性，因涂层具有超亲水性，便赋予了涂层还具有易洗、防污、抗污的特性，可以有效阻抗非特异性蛋白的黏附，同时由于多酚官能团的存在，使得涂层表面大量的官能团可以为后续生物分子的接枝修饰改性提供较好的平台。
多酚化合物与多胺基化合物在基底材料表面改性能力主要是基于其可以在不同的材料表面自选择地以共价、氢键、疏水作用力及超分子作用力等多种模式与材料表面发生物理/化学沉积，形成多酚层，并且，多酚化合物与氧化剂反应过程中，被氧化剂的电子攻击，使得邻二醌结构转化为羧基结构，使得涂层含有大量的羧基，从而形成超亲水表面，剩余的多酚化合物还具有优异的抗氧化性和清除氧自由基的能力，对心血管具有保护作用。
多酚化合物的分子结构中含有大量的邻位酚羟基，这些邻位酚羟基可与金属形成稳定螯合作用，因此在金属表面可形成稳定的结合，此外还能通过分子间疏水作用和氢键作用与陶瓷生物材料、高分子生物材料形成稳定的结合，总之，本发明操作简单，反应条件温和，制得的改性涂层与基底材料之间具有优异的黏附性。
本发明制得的具有长效超亲水性能的生物抗污涂层主要作为植入器械、医疗诊断器械、医疗传感器等医学器械的表面保护材料，从而解决因医学器械表面无保护材料或保护材料性能不佳而引起的生物体不良反应、器械灵敏度差影响检测等问题。
附图说明
图1为传统多酚沉积薄膜(右)和新型多酚薄膜(左)抗荧光标记牛血清白蛋白(FITC-BSA)粘附的激光共聚焦(LSCM)图。
具体实施方式
实施例1
一种具有长效超亲水性能的生物抗污涂层，其制备方法包括以下步骤：
(1)对医用不锈钢材料进行抛光、清洗和干燥处理；
(2)将上述处理后的不锈钢材料置于pH值为4的乙酸-乙酸盐缓冲液中，接着加入没食子酸、L-精氨酸和质量分数为65％-68％的浓硝酸，没食子酸、L-精氨酸和浓硝酸的终浓度分别为0.01mg/mL、0.01mg/mL和质量分数为34％，然后在40℃反应30h；
(3)将步骤(2)所得物浸没于去离子水中，超声清洗3次，每次5min，然后在氮气条件下干燥，制得。
实施例2
一种具有长效超亲水性能的生物抗污涂层，其制备方法包括以下步骤：
(1)对镍钛合金材料进行抛光、清洗和干燥处理；
(2)将上述处理后的镍钛合金材料置于pH值为3.5的邻苯二甲酸-盐酸缓冲液中，接着加入表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)、乙二胺和三氯化铁溶液，表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)、乙二胺和三氯化铁溶液的终浓度分别为1mg/mL、4mg/mL和2mg/mL，然后在25℃反应2h；
(3)将步骤(2)所得物浸没于去离子水中，超声清洗3次，每次5min，然后在氮气条件下干燥，制得。
实施例3
一种具有长效超亲水性能的生物抗污涂层，其制备方法包括以下步骤：
(1)对聚四氟乙烯材料进行清洗和干燥处理；
(2)将上述处理后的聚四氟乙烯材料置于pH值为6的2-(N-吗啡啉)乙磺酸缓冲液中，接着加入表儿茶素没食子酸酯(ECG)、1,8-二氨基辛烷和高碘酸钠溶液，表儿茶素没食子酸酯(ECG)、1,8-二氨基辛烷和高碘酸钠溶液的终浓度分别为2mg/mL、4mg/mL和4mg/mL，然后在15℃反应24h；
(3)将步骤(2)所得物浸没于去离子水中，超声清洗3次，每次5min，然后在氮气条件下干燥，制得。
实施例4
一种具有长效超亲水性能的生物抗污涂层，其制备方法包括以下步骤：
(1)对聚氨酯材料进行清洗和干燥处理；
(2)将上述处理后的聚氨酯材料置于pH值为6的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液中，接着加入没食子酸、1,4-双二氨已基环己烷和过硫酸铵溶液，没食子酸、1,4-双二氨已基环己烷和过硫酸铵溶液的终浓度分别为2mg/mL、5mg/mL和2mg/mL，然后在20℃反应18h；
(3)将步骤(2)所得物浸没于去离子水中，超声清洗3次，每次5min，然后在氮气条件下干燥，制得。
实施例5
一种具有长效超亲水性能的生物抗污涂层，其制备方法包括以下步骤：
(1)对各向同性热解碳LTIC材料进行抛光、清洗和干燥处理；
(2)将上述处理后的各向同性热解碳LTIC材料置于pH值为4.5的邻苯二甲酸氢钾-氢氧化钠缓冲液中，接着加入表儿茶素(EC)、2-(3,4-二羟基苯基)乙胺和质量分数为30％的过氧化氢溶液，表儿茶素(EC)、2-(3,4-二羟基苯基)乙胺和质量分数为30％的过氧化氢溶液的终浓度分别为5mg/mL、7mg/mL和质量分数为15％，然后在25℃反应6h；
(3)将步骤(2)所得物浸没于去离子水中，超声清洗3次，每次5min，然后在氮气条件下干燥，制得。
实施例6
一种具有长效超亲水性能的生物抗污涂层，其制备方法包括以下步骤：
(1)对医用胶原材料进行清洗和干燥处理；
(2)将上述处理后的医用胶原材料置于pH值为4的甘氨酸-盐酸缓冲液中，接着加入表没食子儿茶素(EGC)、戊二胺和氯化铜溶液，表没食子儿茶素EGC、戊二胺和氯化铜溶液的终浓度分别为0.1mg/mL、0.5mg/mL和0.5mg/mL，然后在30℃反应12h；
(3)将步骤(2)所得物浸没于去离子水中，超声清洗3次，每次5min，然后在氮气条件下干燥，制得。
实施例7
一种具有长效超亲水性能的生物抗污涂层，其制备方法包括以下步骤：
(1)对天然橡胶材料进行清洗和干燥处理；
(2)将上述处理后的天然橡胶材料置于pH值为5.5的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液中，接着加入邻苯三酚、1,3-二氨基甲基环己烷和高锰酸钾溶液，邻苯三酚、1,3-二氨基甲基环己烷和高锰酸钾溶液的终浓度分别为7mg/mL、10mg/mL和10mg/mL，然后在40℃反应1h；
(3)将步骤(2)所得物浸没于去离子水中，超声清洗3次，每次5min，然后在氮气条件下干燥，制得。
实施例8
一种具有长效超亲水性能的生物抗污涂层，其制备方法包括以下步骤：
(1)对羟基磷灰石增强聚乳酸材料进行清洗和干燥处理；
(2)将上述处理后的羟基磷灰石增强聚乳酸材料置于pH值为6.5的乙酸-乙酸钠缓冲液中，接着加入没食子酸、甲基环己烷二胺和三氯化铁溶液，没食子酸、甲基环己烷二胺和三氯化铁溶液的终浓度分别为3mg/mL、1mg/mL和1mg/mL，然后在45℃反应4h；
(3)将步骤(2)所得物浸没于去离子水中，超声清洗3次，每次5min，然后在氮气条件下干燥，制得。
实施例9
一种具有长效超亲水性能的生物抗污涂层，其制备方法包括以下步骤：
(1)对生物活性玻璃陶瓷涂层增强的钛合金材料进行清洗和干燥处理；
(2)将上述处理后的生物活性玻璃陶瓷涂层增强的钛合金材料置于pH值为4.5的柠檬酸-氢氧化钠-盐酸缓冲液中，接着加入表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)、2,2,4-三甲基六亚甲基二胺和重铬酸钾溶液，表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)、2,2,4-三甲基六亚甲基二胺和重铬酸钾溶液的终浓度分别为6mg/mL、7mg/mL和3mg/mL，然后在30℃反应5h；
(3)将步骤(2)所得物浸没于去离子水中，超声清洗3次，每次5min，然后在氮气条件下干燥，制得。
对比例1
传统的多酚涂层是多酚在碱性环境中通过自氧化、交联沉积薄膜制得，即将不锈钢基底放在2mg/ml的pH为8.5的多巴胺溶液中静置3h，然后超声清洗3遍，每次5min。其主要是通过有限的氨基和酚-OH带来一定的亲水性，而且随着时间的推移，酚-OH会被氧化形成醌基，醌基属于疏水基团，使得材料表面的亲水性变差，从而严重影响了其功能。
将制备好的传统多酚涂层与本发明实施例2制得的新型多酚涂层放置于24孔板中，在样品表面加500ul荧光标记牛血清白蛋白(FITC-BSA)溶液，将样品浸没；37℃条件下孵育1h；取出，用PBS清洗样品表面8次，每次3分钟，洗去没有粘附在表面的荧光标记牛血清白蛋白；氮气干燥；并立即用激光共聚焦观察，整个实验过程都避光进行，其结果见图1。由图1可知，传统的多酚涂层表面的荧光强度为105±5a.u，本发明制得的新型多酚涂层表面的荧光强度为21±1.5a.u，传统的多酚涂层表面的荧光强度明显比新型多酚涂层表面的荧光强度强，说明本发明制得的多酚涂层具有优异的生物抗污性能。

Claims (9)

1.一种具有长效超亲水性能的生物抗污涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对基底材料表面进行预处理；
(2)将处理后的基底材料置于pH值为2-7的缓冲液中，接着加入多酚化合物、多胺基化合物和水溶性氧化剂，使得多酚化合物、多胺基化合物和水溶性氧化剂的终浓度分别为0.01-10mg/mL、0.01-10mg/mL和0.01-10mg/mL，然后在4-50℃反应0.1-48h；
(3)将步骤(2)所得物浸没于去离子水中，超声清洗3-4次，每次4-5min，然后在氮气条件下干燥，制得。
2.根据权利要求1所述的具有长效超亲水性能的生物抗污涂层的制备方法，其特征在于，基底材料为金属基生物材料、陶瓷基生物材料、高分子基生物材料或复合生物材料。
3.根据权利要求1所述的具有长效超亲水性能的生物抗污涂层的制备方法，其特征在于，缓冲液为乙酸-乙酸盐缓冲液、2-(N-吗啡啉)乙磺酸缓冲液、甘氨酸-盐酸缓冲液、邻苯二甲酸-盐酸缓冲液、邻苯二甲酸氢钾-氢氧化钠缓冲液、磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液、柠檬酸-氢氧化钠-盐酸缓冲液或柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液。
4.根据权利要求1所述的具有长效超亲水性能的生物抗污涂层的制备方法，其特征在于，多酚化合物为单宁酸、没食子酸、丹酚酸B、表没食子儿茶素没食子酸酯、表儿茶素没食子酸酯、表儿茶素、表没食子儿茶素、邻苯二酚、邻苯三酚、黄酮类、花色素苷、鞣花酸和原花色素A2中的一种或几种混合。
5.根据权利要求1所述的具有长效超亲水性能的生物抗污涂层的制备方法，其特征在于，多胺基化合物为L-精氨酸、乙二胺、戊二胺、2,2,4-三甲基六亚甲基二胺、1,8-二氨基辛烷、甲基环己烷二胺、1,3-二氨基甲基环己烷、2,4,6-三氨甲基环己烷、1,4-双二氨已基环己烷和2-(3,4-二羟基苯基)乙胺中的一种或几种混合。
6.根据权利要求1所述的具有长效超亲水性能的生物抗污涂层的制备方法，其特征在于，水溶性氧化剂为过氧化氢、过硫酸铵、氯化铜、三氯化铁、浓硝酸、高碘酸钠、高锰酸钾和重铬酸钾中的一种或几种混合。
7.根据权利要求1所述的具有长效超亲水性能的生物抗污涂层的制备方法，其特征在于，步骤(2)中多酚化合物、多胺基化合物和水溶性氧化剂的终浓度分别为1mg/mL、4mg/mL和2mg/mL。
8.根据权利要求1所述的具有长效超亲水性能的生物抗污涂层的制备方法，其特征在于，步骤(2)中反应温度为25℃，反应时间为2h。
9.如权利要求1-8任一项所述的制备方法制得的具有长效超亲水性能的生物抗污涂层。
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